唐山職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系 田明瑜

引言

隨著工業(yè)生產(chǎn)智能化的快速發(fā)展，焊接工藝作為產(chǎn)品制造加工過程中重要工藝之一，在機(jī)械加工、汽車制造工業(yè)、船舶制造、航天航空等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，在人工智能技術(shù)的快速發(fā)展下，焊接機(jī)器人得到了快速發(fā)展。焊接機(jī)器人可以提高產(chǎn)品的生產(chǎn)效率，改善勞動(dòng)者的勞動(dòng)環(huán)境，能夠保證產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定，易于實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的優(yōu)量化生產(chǎn)，并能夠推動(dòng)相關(guān)產(chǎn)業(yè)自動(dòng)化升級(jí)改造。焊接的自動(dòng)化以及智能化已經(jīng)成為制造業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)，焊接機(jī)器人已經(jīng)成為現(xiàn)代化與自動(dòng)化緊密結(jié)合的一大標(biāo)志[1]。

1 焊接機(jī)器人分類

1.1 工藝方法分類

焊接機(jī)器人主要有弧焊機(jī)器人、點(diǎn)焊機(jī)器人、激光焊機(jī)器人、等離子焊機(jī)器人和攪拌摩擦焊機(jī)器人等；目前弧焊機(jī)器人和點(diǎn)焊機(jī)器人在生產(chǎn)中應(yīng)用較為廣泛?；『笝C(jī)器人可進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)焊接作業(yè)，其特點(diǎn)是生產(chǎn)效率高、焊接質(zhì)量高和穩(wěn)定性好等。點(diǎn)焊機(jī)器人具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易操作、生產(chǎn)率高等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)點(diǎn)焊工藝主要應(yīng)用于金屬薄板的焊接，被廣泛用于汽車制造業(yè)和航空航天生產(chǎn)等工業(yè)領(lǐng)域[2]。

1.2 受控運(yùn)動(dòng)方式分類：點(diǎn)位控制型、連續(xù)軌跡控制型

點(diǎn)位控制是在操作空間中某些規(guī)定的離散點(diǎn)上的定位運(yùn)動(dòng)。要求焊接機(jī)器人能夠快速、準(zhǔn)確地在相鄰各點(diǎn)之間準(zhǔn)確運(yùn)動(dòng)，其技術(shù)指標(biāo)是運(yùn)動(dòng)時(shí)間和定位精度。點(diǎn)位控制特點(diǎn)是具有易實(shí)現(xiàn)、控制方式簡(jiǎn)單及定位精度不高等；連續(xù)軌跡控制是按照設(shè)計(jì)好預(yù)定的軌跡和速度在一定的精度范圍內(nèi)運(yùn)動(dòng)，連續(xù)軌跡控制的特點(diǎn)是速度可控、軌跡光滑、運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)。連續(xù)軌跡控制的焊接機(jī)器人各關(guān)節(jié)連續(xù)、同步地進(jìn)行相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)，其焊接執(zhí)行部件形成連續(xù)的軌跡。軌跡跟蹤精度及平穩(wěn)性是連續(xù)軌跡控制的焊接機(jī)器人技術(shù)指標(biāo)。

1.3 驅(qū)動(dòng)方式分類：液壓驅(qū)動(dòng)、氣壓驅(qū)動(dòng)、電氣驅(qū)動(dòng)

液壓驅(qū)動(dòng)是將壓力能轉(zhuǎn)變成的機(jī)械能實(shí)現(xiàn)的，其工作介質(zhì)為液壓油。該驅(qū)動(dòng)方式特點(diǎn)是具有較高的功率重量比，驅(qū)動(dòng)力較大，在重載運(yùn)輸上具有較大優(yōu)勢(shì)； 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，控制性能好，精度較高； 對(duì)外部環(huán)境要求不高，有很強(qiáng)的適應(yīng)能力。氣壓驅(qū)動(dòng)和液壓驅(qū)動(dòng)相同也是將壓力能轉(zhuǎn)變成機(jī)械能實(shí)現(xiàn)力的傳遞，但其工作介質(zhì)為空氣?？諝馔ㄟ^空氣壓縮機(jī)后，具有可控的壓力作為輸出動(dòng)力源，實(shí)現(xiàn)能量的傳遞。氣壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的特點(diǎn)是成本低、氣源方便、系統(tǒng)安全可靠、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，同時(shí)，因?yàn)榭諝獾奈锢硖匦?，被壓縮后不會(huì)產(chǎn)生黏性過大的特征，因此，使用氣壓驅(qū)動(dòng)裝置可以實(shí)現(xiàn)執(zhí)行動(dòng)作迅速變化，控制速度和執(zhí)行速度快； 其產(chǎn)生的廢氣不會(huì)污染環(huán)境，但精度較差。電氣驅(qū)動(dòng)是通過電機(jī)產(chǎn)生力和力矩進(jìn)行控制，易操作，成本低，適用于大功率機(jī)器人。電氣驅(qū)動(dòng)常見有：步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)、直流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)和交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)。其中步進(jìn)電機(jī)的定位精度高，但控制系統(tǒng)復(fù)雜，且速度的調(diào)節(jié)范圍較小[3-4]。

1.4 結(jié)構(gòu)形式分類

按照運(yùn)動(dòng)的結(jié)構(gòu)形式主要將焊接機(jī)器人分為球坐標(biāo)型、直角坐標(biāo)型、圓柱坐標(biāo)型和全關(guān)節(jié)型4 類。

2 焊接機(jī)器人的動(dòng)力源分析

機(jī)器人的工作離不開動(dòng)力，目前主要采用的是傳統(tǒng)能源和新型能源兩種，焊接機(jī)器人采用的傳統(tǒng)能源是指以單一電能供電，其應(yīng)用主要在固定工位，對(duì)單一產(chǎn)品焊接，供電主要是由線纜進(jìn)行。固定工位焊接機(jī)器人作業(yè)主要有車間內(nèi)設(shè)移動(dòng)軌道和單自由度機(jī)械手焊接兩種。相對(duì)應(yīng)可移動(dòng)的焊接機(jī)器人，其動(dòng)力源采用蓄電池，可以保障完成焊接作業(yè)區(qū)面積大、運(yùn)動(dòng)距離較長(zhǎng)的焊接任務(wù)，但蓄電池的壽命短、質(zhì)量重、功率密度較低和充電耗時(shí)較長(zhǎng)等缺點(diǎn)，讓其很難滿足企業(yè)實(shí)際需求。為了更好地提高可移動(dòng)機(jī)器人的應(yīng)用性能，傳統(tǒng)能源目前存在的問題缺陷是當(dāng)前研究者迫切需要解決的問題，將環(huán)保潔能的新能源應(yīng)用到焊接機(jī)器人動(dòng)力系統(tǒng)中可以解決傳統(tǒng)能源存在的缺陷。尤其是環(huán)保無污染的清潔能源得到廣泛關(guān)注，以氫氣為燃料的質(zhì)子交換膜燃料電池，其環(huán)保性能好、轉(zhuǎn)換效率高，可擺脫電纜的約束。然而單一的燃料電池作為動(dòng)力能源，存在設(shè)備啟動(dòng)速度緩慢，載荷變大時(shí)響應(yīng)較慢等缺陷。因此設(shè)計(jì)人員結(jié)合燃料電池與其他電源的優(yōu)缺點(diǎn)，將兩種能源方式進(jìn)行結(jié)合，形成一種混合動(dòng)力能源向移動(dòng)焊接機(jī)器人供能。如：將超級(jí)電容與清潔的燃料電池結(jié)合，大大改善了焊接機(jī)器人的功率需求；將具有快速供電性能的鋰電池和清潔的燃料電池結(jié)合，作為輔助能源的鋰電池可以在啟動(dòng)加速階段快速供電，保證其正常的功率需求，同時(shí)保證清潔的燃料電池處的反應(yīng)放電高效范圍；在減速制動(dòng)時(shí)，機(jī)器人自身系統(tǒng)產(chǎn)生回饋，鋰電池進(jìn)行儲(chǔ)能，為機(jī)器人下次的啟動(dòng)加速工作做好準(zhǔn)備?；旌蟿?dòng)力能源很大程度上實(shí)現(xiàn)焊接機(jī)器人快速、高效的工作需求。

3 焊接機(jī)器人驅(qū)動(dòng)方式分析

隨著焊接技術(shù)的快速發(fā)展，焊接機(jī)器人也被越來越多的企業(yè)應(yīng)用，在電氣驅(qū)動(dòng)和氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)的傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)方式的基礎(chǔ)上，多種改進(jìn)的驅(qū)動(dòng)形式在焊接機(jī)器人的設(shè)計(jì)制造得到應(yīng)用。如移動(dòng)焊接機(jī)器人中采用的差速驅(qū)動(dòng)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)焊縫高精度的跟蹤控制，具有較好的穩(wěn)定性，通過采用后輪差速驅(qū)動(dòng)對(duì)機(jī)器人的軌跡控制和姿態(tài)的調(diào)節(jié)。差速轉(zhuǎn)向解決了移動(dòng)焊接機(jī)器人運(yùn)行中的轉(zhuǎn)向側(cè)滑問題，同時(shí)大大將焊接機(jī)器人的運(yùn)行穩(wěn)定性和跟蹤軌跡的精度提高。因冗余驅(qū)動(dòng)技術(shù)具有較好的靈活性和精準(zhǔn)度，因此將冗余機(jī)器人與焊接技術(shù)結(jié)合優(yōu)化，不僅可以避免機(jī)器人運(yùn)行時(shí)本體與焊接肢體的干涉碰撞，同時(shí)能夠使機(jī)器人的工藝位置更加精確，產(chǎn)品的質(zhì)量和效率得到大大提高；球形電機(jī)具有多自由度、控制簡(jiǎn)單、性價(jià)比高等特點(diǎn)，將其作為驅(qū)動(dòng)裝置，可減少焊接機(jī)器人系統(tǒng)的電機(jī)數(shù)量，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更加優(yōu)化，提高焊接機(jī)器人的經(jīng)濟(jì)性能。新型的驅(qū)動(dòng)方式在很大程度蓋改善了焊接機(jī)器人的性能，提高了生產(chǎn)效率，得到企業(yè)的廣泛認(rèn)可，從而也促進(jìn)了焊接機(jī)器人快速發(fā)展。

4 結(jié)語

焊接機(jī)器人的技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，為企業(yè)提高了生產(chǎn)效益，同時(shí)，在一定程度上改善了焊工操作者的工作環(huán)境。焊接機(jī)器人的能源和驅(qū)動(dòng)方式選用是研發(fā)設(shè)計(jì)過程中重要環(huán)節(jié)。文中對(duì)焊接機(jī)器人的分類及驅(qū)動(dòng)方式進(jìn)行了闡述，分析了當(dāng)前焊接機(jī)器人采用的主要驅(qū)動(dòng)方式，對(duì)企業(yè)或研發(fā)人員進(jìn)行焊接機(jī)器人設(shè)計(jì)具有一定的指導(dǎo)意義。